1石拱桥加固改造技术研究.docx
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1石拱桥加固改造技术研究
服役石拱桥可靠性评估与加固改造技术研究
报告简本
一、立项背景
我国西南地区和我省湘西地区,大部分石拱桥建成于二十世纪五十至八十年代，受历史条件限制，设计荷载等级都不高，且经过数十年运营，桥梁的技术状况已不能满足现有交通行车安全的需要，并时有石拱桥跨塌事故发生。
运营过程中跨塌的浏阳大瑶石拱桥
运营过程中跨塌的溢洪道石拱桥
加固过程中跨塌的双桥铺石拱桥
运营过程中跨塌的江西傍罗石拱桥
桥梁结构承载力与安全性问题是一个十分重要也是需要进一步研究的问题，它的研究既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建桥梁结构改进的理论意义，同时，对丰富和发展桥梁结构承载力与安全性深入研究具有一定的理论价值。
旧桥的维修加固和改造要解决安全和经济之间的问题，即寻求最佳的维修加固和改造方案，在保证结构安全、满足使用功能的前提下，经济效益最优。
采用维修加固和改造的方法保持和提高旧桥的承载能力，其费用约占新建桥梁的5%～30%;
基于以上原因，2004年9月，我院以湘西和部分西南地区石拱桥为依托与交通部西部项目中心签定了“服役石拱桥安全性评估与加固改造技术研究”项目合同，合同编号为：
2004-318-785-18。
二、项目总体目标
1、研究总思路
本项目旨在以理论为指导，充分吸收国内外已有的技术成果，通过对湘西地区及我国西南地区部分石拱桥的典型病害成因与防治研究、石拱桥安全性评估研究和加固改造技术的研究，提出更切合实际的服役石拱桥安全性评估方法和加固改造技术途径，使我国大量的石拱桥资源得到更充分和更安全的利用，最大限度地发挥其潜在效益。
2、主要研究内容
专题一、服役石拱桥病害调查与成因分析研究
专题二、服役石拱桥理论与安全性评估研究
Ø乌巢河大桥石料力学参数试验研究
Ø石拱桥计算理论与程序开发研究
Ø石拱桥使用健康状况的安全性评价研究
专题三、服役石拱桥维修加固改造技术研究
Ø石拱桥实用加固改造技术研究
Ø石拱桥加固改造效果评价研究
Ø石拱桥加固的经济性评价研究
三、服役石拱桥病害调查与成因分析研究
通过对湘西地区526座的现役石拱桥和我国西南地区G319、S103以及11条县乡道路上的44座服役石拱桥进行调查，并对部分桥梁进行了重点抽查。
得出如下两点成果。
成果一：
典型病害归类与成因分析
结构类别
典型病害
产生的主要原因
备注
下部构造
1、基础冲刷
水流流速大，基础防护不到位
2、基础沉降、滑移
施工质量问题、超载、基础冲刷严重。
3、桥台侧墙变形、开裂
侧墙内土压力增大、超载等原因。
上部构造
4、拱圈开裂、变形
施工质量问题、超载、基础沉降、滑移等原因。
5、砌筑砂浆不饱满
拱圈渗水
施工质量问题。
6、风化严重
石料属于易风化岩石、养护不及时，造成生物风化严重。
桥面与总体
7、桥面开裂
①施工质量问题；②超载。
8、总体线形差
设计问题，桥梁与接线衔接不顺直。
成果二：
石拱桥建筑石料要求
用于石拱桥的石料须满足以下四个方面的要求：
1、石质均匀性；
2、强度：
一般要大于40MPa；
3、抗风化性：
难风化的石料；
4、抗冻性：
抗冻质量损失率小于5%，耐冻系数85%。
如：
石质均匀、不易风化、抗冻性能好的石灰岩、花岗岩可用于石拱桥的修建，石质差、易风化、抗冻性能差的红砂岩、页岩不能用于石拱桥的修建。
四、服役石拱桥理论与安全性评估研究
本研究专项有三部分研究内容，即乌巢河大桥石料力学参数试验研究、石拱桥计算理论与程序开发研究、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究。
1、乌巢河大桥石料力学参数试验研究
1.1、研究内容及所获参数
研究内容
所获参数
单轴压缩试验
单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和变形模量
三轴压缩试验
内摩擦角、内聚力、弹性模量和泊松比
砌缝法向单轴压缩试验
砌缝的法向刚度
砌缝压剪强度试验
砌缝的抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力）切向刚度
岩石力学参数劣化分析
探索性的岩石力学劣化衰减数学模型
1.2、试验设备与试件
RMT-105C刚性试验机
试件示意图
1.3、成果
本次共进行14组试验，其中单轴压缩试验2组（6个试件）、三轴压缩试验6组（18个试件）、砌缝法向压缩试验3组（9个试件）、砌缝压剪强度试验3组（9个试件）。
通过试验均得到了相应的应力应变曲线及相应关系式。
1）、砌缝法向单轴压缩试验
切向应力-切向变形、法向变形曲线
2）、砌缝压剪强度试验
砌缝的切向刚度K与法向应力σN、最大剪应力τ与法向应力σN的关系式：
2、石拱桥计算理论与程序开发研究
2.1、拱轴线研究
研究表明悬链线不是空腹石拱桥最合理的拱轴线。
采取拱趾、拱顶和1/4跨五点拟合确定的悬链线拱轴线，存在如下的问题：
石拱桥不能受拉，通过五点拟合确定的悬链线并不能保证其他截面不受拉力。
因此，采用悬索线拱轴线代替悬链线拱轴线。
悬索线方程为：
其中：
基本方程：
研究组从以上基本方程出发，建立了一整套的悬索线理论。
2.2、平铰拱理论研究
“平铰”相当于一个半径为∞的铰。
与理论铰相比，平铰不能自由转动，即在转动中要受到一定程度的约束。
与固定端相比较，平铰不能承受拉应力，截面所能承担弯矩有限。
根据以上特点作以下基本假定：
1、圬工砌体为弹性匀质材料，服从平面假设和虎克定律；
2、圬工砌体不承受任何拉应力；
3、任一截面压应力与外荷载在该截面产生的内力平衡。
计算的基本图示如下：
计算基本步骤：
①先按无铰拱计算出拱脚轴力N和弯矩M；
②令拉应力为0；调整压应力并计算轴力到中性轴的距弯e；
③计算平铰约束弯矩；
④计算应力调整后的拱脚轴力N和约束弯矩；
⑤重复②、③、④步直致计算结果收敛；
⑥结束。
2.3、石拱桥联合作用研究
基本图式：
平铰拱联合作用的计算假定
1）立墙上下端为铰结，不计立墙的抗推刚度。
2）荷载P作用的另一侧腹拱受压缩，用无铰拱的抗推刚度综合代表全桥的约束。
3）荷载P作用下腹拱产生的水平推力沿桥面系传递，不作用于主拱圈上。
4）平铰拱在荷载P作用下的8#截面水平位移Δp值，与无铰拱差异很小，故可近似采用无铰拱值。
5）平铰拱8#截面的水平刚度K主（以称拱背刚度）也近似采用无铰拱值。
通过以上假设推导建立了一系列联合作用计算公式。
2.4、石拱桥分析软件开发
软件是根据本项目的研究成果开发的，它具有以下功能：
Ø平铰（无铰）结构自重作用内力计算；
Ø平铰（无铰）结构在集中力作用下内力计算；
Ø平铰（无铰）结构在温度、支座位移工况内力计算；
Ø平铰（无铰）结构任一截面内力影响线计算；
Ø平铰（无铰）拱结构联合作用内力计算；
Ø并可根据JTGD62-2004有关规定进行内力组合。
单位：
kN
无铰M
平铰M
比值
0L拱脚
-29430.63
-19437.49
0.66
½L拱顶
8114.04
6405.68
0.79
L拱脚
-20874.35
-16889.59
0.81
计算和试验表明：
平铰拱拱顶、拱脚弯矩比无铰拱小10～35%。
2.5、石拱桥上部构造设计图编制
根据研究成果编制了石拱桥上部构造设计图一套
①跨径：
20、30、40、50、60、80米；
②桥面宽度：
11.5m；
③矢跨比：
1/5、1/6、1/7、1/8；
④荷载：
公路—Ⅰ级、公路—Ⅱ级，人群荷载。
3、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究
安全性评价主要从事了基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究三个方面的内容。
3.1、基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究
1）构建结构层次
2）、判断矩阵[B]
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
矩阵[B]满足一致性要求。
3）确定构件权重
常权分析法存在一些缺陷，如不能有效反映次要构件的安全隐患。
因此，采用变权分析法对其进行改进。
引入变权模式：
4）计算整体结构安全性
按照步骤计算各构件安全度
和各构件的权重向量
，再由构件安全度和权重计算结构整体安全度
：
最低层元素数目。
3.2基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究
所谓强度储备比汇总法是以强度储备比为构件的安全指标，由基本构件的安全度指标获得结构体系的安全度指标。
同时结合专家知识的一些综合评判原则，考虑大桥结构及其子系统的特性。
如某构件在第
种受力状态（单一或组合应力）下规定的设计强度储备为：
，
，
式中
和
分别是设计时构件在第
种受力状态下采用的极限强度和许用强度。
基于强度储备比汇总法分析步骤
Ø划分结构层次
Ø分三类，划分构件类型
Ø计算各类构件安全度指标
Ø计算层结构安全度指标
Ø将整体结构简化为串联结构，由层结构安全度指标计算整体结构
安全度指标
3.3基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究
根据前面研究的石料及砌体工程的本构关系和平铰拱理论，建立大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵，并建立如下刚度方程求解：
再用规范方法计算结构抗力与荷载组合，判别石拱桥的安全性。
3.4示范工程
到目前，用以上方法已成功地四十余座石拱桥进行了安全性评估和加固改造决策。
五、服役石拱桥维修加固改造技术研究
本研究专项主要从事了石拱桥实用加固改造技术研究、石拱桥加固改造效果评价研究、石拱桥加固的经济性评价研究等内容。
1、石拱桥实用加固改造技术研究
1.1钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥技术
1.1.1钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的机理分析
1）钢筋砼套箍加固拱桥机理之一——截面增大理论
采用钢筋砼套箍加固拱桥的机理之一是截面增大理论。
2）钢筋砼套箍加固拱桥机理之二——套箍效应
钢筋砼套箍层的增设，使得原主拱圈在活载作用下处于三向受压状态。
3）钢筋砼套箍加固拱桥机理之三——断裂力学机理
■机理一：
变主拱圈表面裂纹为内部裂纹
■机理二：
主拱圈裂纹嘴的集中闭合力阻裂
1.1.2钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的模型试验
1）试验目的
a）通过钢筋砼套箍加固拱桥模型试验，研究加固技术的可行性；
b）研究钢筋砼套箍与原主拱圈的变形协调、共同受力机理；
c）研究拱桥加固后其在正常使用状态下的强度、刚度、裂缝指标改善情况及极限承载力提高幅度。
本试验共分9组30个试件进行。
2）测点布置
主模型试验加载过程要求测试截面位移及混凝土和钢筋应变。
位移测点布置在拱脚、四分点及拱顶五个位置，其中拱脚处测量水平位移，其余三处测量竖向挠度，要求各测点处的仪器置于拱腹中线上。
各片试验拱在加载过程中要求测试两拱脚、两四分点、拱顶五处钢筋表面应变；相应每一截面上要在拱腹、拱背靠近两边缘处钢筋上粘贴应变片。
2）加载方式
主拱模型试验加载方式采用两点加载，如下图所示。
加载之前必须对各模型用1～2吨的荷载进行预压。
各级荷载之间的级差根据试验进程适当调整，原则上要求在构件出现可见裂缝以前荷载级差为1吨，构件开裂后适当加大级差。
每级荷载作用之后，要求3～5分钟后待构件变形稳定方
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